دیتاشیت سری ELW137 - فوتوکوپلر منطقی پرسرعت 10 مگابیت بر ثانیه با پکیج 8 پایه DIP

1. مرور محصول

سری‌های ELW137، ELW2601 و ELW2611 فوتوکوپلرهای منطقی پرسرعت (ایزولاتورهای نوری) هستند که برای کاربردهای نیازمند ایزولاسیون سریع سیگنال دیجیتال طراحی شده‌اند. جزء اصلی یک دیود مادون قرمز گسیل‌کننده نور است که به صورت نوری به یک فوتودتکتور مجتمع پرسرعت با خروجی گیت منطقی کوپل شده است. این قطعه در یک پکیج استاندارد صنعتی 8 پایه دو ردیفه (DIP) با بدنه عریض بسته‌بندی شده و گزینه‌های نصب سطحی (SMD) نیز موجود است. عملکرد اصلی، ایجاد ایزولاسیون الکتریکی بین مدارهای ورودی و خروجی در حین انتقال سیگنال‌های منطقی دیجیتال با سرعت تا 10 مگابیت بر ثانیه است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای کلیدی این سری شامل قابلیت سرعت بالا است که آن را برای رابط‌های ارتباطی دیجیتال مدرن مناسب می‌سازد. این قطعه ولتاژ ایزولاسیون بالای 5000 ولت_rmsرا ارائه می‌دهد که ایمنی سیستم و مصونیت در برابر نویز را افزایش می‌دهد. این دستگاه برای تضمین عملکرد در محدوده وسیع دمایی صنعتی از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد طراحی شده است. دارای تأییدیه‌های ایمنی بین‌المللی اصلی (UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO) بوده و با دستورالعمل‌های REACH و RoHS اتحادیه اروپا مطابقت دارد. بازارهای هدف شامل اتوماسیون صنعتی، مخابرات، تجهیزات جانبی کامپیوتر، تجهیزات پزشکی و منابع تغذیه سوئیچینگ است که در آن‌ها ایزولاسیون قابل اطمینان سیگنال حیاتی است.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیری عینی از پارامترهای الکتریکی و عملکردی کلیدی فهرست شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر برای شرایط کار عادی نیستند.

• جریان مستقیم ورودی (I_F): 50 میلی‌آمپر. تجاوز از این مقدار می‌تواند LED ورودی را از بین ببرد.
• ولتاژ معکوس (V_R): 5 ولت. دیود ورودی تحمل ولتاژ معکوس محدودی دارد.
• ولتاژ تغذیه (V_CC) و ولتاژ خروجی (V_O): 7.0 ولت. این حداکثر ولتاژی را تعریف می‌کند که می‌توان به پایه‌های تغذیه و سیگنال سمت خروجی اعمال کرد.
• ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO): 5000 ولت_rmsبه مدت 1 دقیقه. این یک پارامتر ایمنی کلیدی است که استحکام دی‌الکتریک بین سمت ورودی و خروجی را نشان می‌دهد.
• دمای کار (T_OPR): 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد. این دستگاه برای محیط‌های صنعتی درجه‌بندی شده است.
• دمای لحیم‌کاری (T_SOL): 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه. این برای فرآیندهای مونتاژ PCB مهم است.

2.2 مشخصات الکتریکی

اینها پارامترهای تضمین شده تحت شرایط تست مشخص شده در محدوده دمای کاری هستند.

2.2.1 مشخصات ورودی

• ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 1.4 ولت، حداکثر 1.8 ولت در I_F=10 میلی‌آمپر. این برای طراحی مدار محدودکننده جریان ورودی استفاده می‌شود.
• ظرفیت خازنی ورودی (C_IN): معمولاً 70 پیکوفاراد. این بر پاسخ فرکانس بالای مرحله ورودی تأثیر می‌گذارد.

2.2.2 مشخصات خروجی و انتقال

• جریان‌های تغذیه (I_CCH, I_CCL): آی‌سی خروجی 6.5 تا 10 میلی‌آمپر (خروجی بالا) و 8 تا 13 میلی‌آمپر (خروجی پایین) می‌کشد. این نیازمندی توان در سمت خروجی را تعیین می‌کند.
• ولتاژ خروجی سطح پایین (V_OL): حداکثر 0.6 ولت هنگام سینک کردن 13 میلی‌آمپر. این تضمین می‌کند که با ورودی‌های منطقی TTL و CMOS کم‌ولتاژ سازگار باشد.
• جریان آستانه ورودی (I_FT): 3.0 تا 5.0 میلی‌آمپر. این حداقل جریان LED ورودی مورد نیاز برای تضمین یک خروجی منطقی پایین معتبر تحت بدترین شرایط است. طراحی باید از جریانی بالاتر از حداکثر مقدار استفاده کند.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

این پارامترها عملکرد تایمینگ را تعریف می‌کنند که برای انتقال داده پرسرعت حیاتی است.

• تأخیرهای انتشار (t_PHL, t_PLH): حداکثر 100 نانوثانیه برای هر کدام. این حداکثر نرخ داده را محدود می‌کند. دیتاشیت قابلیت 10 مگابیت بر ثانیه را مشخص می‌کند.
• اعوجاج عرض پالس |t_PHL- t_PLH|: حداکثر 40 نانوثانیه. این عدم تقارن می‌تواند بر چرخه وظیفه در سیگنال‌های ارسالی تأثیر بگذارد.
• زمان‌های صعود/سقوط (t_r, t_f): t_rمعمولاً 40 نانوثانیه است، t_fمعمولاً 10 نانوثانیه است. زمان سقوط سریع‌تر در چنین دستگاه‌هایی رایج است.
• مصونیت گذرای حالت مشترک (CMH, CML): این یک پارامتر حیاتی برای مصونیت در برابر نویز است. ELW2611 بالاترین عملکرد (10000 تا 20000 ولت بر میکروثانیه) را ارائه می‌دهد، به این معنی که می‌تواند اسپایک‌های ولتاژ بسیار سریع بین زمین‌های ورودی و خروجی را بدون ایجاد خطای خروجی رد کند. CMTI در ELW137 مشخص نشده است، در حالی که ELW2601 قابلیت 5000 ولت بر میکروثانیه را ارائه می‌دهد.

3. پیکربندی پایه‌ها و شرح عملکرد

دستگاه از پیکربندی 8 پایه DIP استفاده می‌کند. پایه‌های 1 و 4 بدون اتصال (NC) هستند. سمت ورودی شامل پایه 2 (آند) و پایه 3 (کاتد) برای LED است. سمت خروجی شامل پایه 5 (زمین)، پایه 6 (V_OUT- خروجی)، پایه 7 (V_E- فعال‌سازی) و پایه 8 (V_CC- ولتاژ تغذیه) می‌شود. پایه فعال‌سازی (V_E) خروجی را کنترل می‌کند. جدول درستی منطق را نشان می‌دهد: هنگامی که Enable بالا باشد، خروجی معکوس ورودی است (فعال-پایین). هنگامی که Enable پایین باشد، خروجی صرف نظر از ورودی، مجبور به حالت بالا می‌شود. دیتاشیت استفاده از یک خازن بای‌پس 0.1 میکروفاراد بین پایه‌های 8 (V_CC) و 5 (GND) را برای عملکرد پایدار الزامی می‌کند.

4. پیشنهادات کاربردی

4.1 سناریوهای کاربردی معمول

• حذف حلقه زمینی و ایزولاسیون سطح منطقی: ایزوله کردن سیگنال‌های دیجیتال بین زیرسیستم‌ها با پتانسیل‌های زمین متفاوت برای جلوگیری از نویز و حلقه‌های زمینی.
• انتقال داده و گیرنده‌های خط: استفاده در لینک‌های ارتباط سریال (رابط‌های RS-232، RS-485) برای ایزولاسیون.
• منابع تغذیه سوئیچینگ: ارائه ایزولاسیون فیدبک در توپولوژی‌های مبدل ایزوله فلای‌بک یا دیگر.
• رابط‌های تجهیزات جانبی کامپیوتر: ایزوله کردن سیگنال‌ها به/از پرینترها، کارت‌های I/O صنعتی.
• جایگزینی ترانسفورماتور پالس: ارائه یک جایگزین حالت جامد برای ایزولاسیون سیگنال با مدار درایو ساده‌تر.

4.2 ملاحظات طراحی

• تنظیم جریان ورودی: جریان LED ورودی باید با استفاده از یک مقاومت سری تنظیم شود. برای تضمین سوئیچینگ، I_Fباید بالاتر از حداکثر I_FT(5 میلی‌آمپر) تنظیم شود. شرایط تست معمول از 7.5 میلی‌آمپر استفاده می‌کند. مقدار مقاومت (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• استفاده از پایه فعال‌سازی: پایه فعال‌سازی می‌تواند برای گیت کردن خروجی یا اتصال به یک ولتاژ ثابت در صورت عدم نیاز استفاده شود. نباید بیش از 0.5 ولت از V_CCتجاوز کند.
• بار خروجی: خروجی می‌تواند تا 13 میلی‌آمپر را برای یک V_OLمعتبر سینک کند. برای درایو کردن جریان‌های بالاتر یا بارهای خازنی، ممکن است نیاز به یک بافر خارجی باشد.
• مصونیت در برابر نویز: برای محیط‌های پرنویز، نوع ELW2611 را به دلیل مصونیت گذرای حالت مشترک (CMTI) برتر آن انتخاب کنید. مدار درایو توصیه شده در شکل 15 برای ELW2611 از یک ترانزیستور برای تیز کردن لبه‌های جریان LED ورودی استفاده می‌کند که عملکرد CMTI را بیشتر بهبود می‌بخشد.
• بای‌پس کردن: خازن 0.1 میکروفاراد در سمت خروجی برای به حداقل رساندن نویز تغذیه و اطمینان از عملکرد پایدار پرسرعت ضروری است.

5. مقایسه فنی و راهنمای انتخاب

این سری شامل سه نوع اصلی است: ELW137، ELW2601 و ELW2611. عامل تمایز اصلی، مصونیت گذرای حالت مشترک (CMTI) است. ELW137 ایزولاسیون پایه دارد. ELW2601 CMTI متوسط (5000 ولت بر میکروثانیه) ارائه می‌دهد. ELW2611 CMTI بالا (10000 تا 20000 ولت بر میکروثانیه) را فراهم می‌کند. انتخاب باید بر اساس محیط نویز الکتریکی کاربرد باشد. برای درایوهای موتور، PLCهای صنعتی یا منابع تغذیه پرنویز، ELW2611 توصیه می‌شود. برای ایزولاسیون دیجیتال با نیاز کمتر، ELW2601 یا ELW137 ممکن است کافی باشد.

6. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

6.1 حداکثر نرخ داده قابل دستیابی چقدر است؟

در حالی که دستگاه برای 10 مگابیت بر ثانیه مشخص شده است، حداکثر نرخ قابل استفاده واقعی به تأخیرهای انتشار و زمان‌های صعود/سقوط بستگی دارد. با حداکثر تأخیر انتشار 100 نانوثانیه، حداکثر فرکانس نظری برای یک موج مربعی کمتر است. برای انتقال داده قابل اطمینان، کل اعوجاج پالس و حاشیه‌های تایمینگ سیستم را در نظر بگیرید.

6.2 چگونه مقدار مقاومت ورودی را محاسبه کنم؟

از فرمول استفاده کنید: R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F. فرض کنید V_Fحداکثر مقدار (1.8 ولت) برای طراحی بدترین حالت است. برای یک درایو 5 ولتی و I_F= 10 میلی‌آمپر، R_IN= (5V - 1.8V) / 0.01A = 320 اهم. از نزدیک‌ترین مقدار استاندارد (مثلاً 330 اهم) استفاده کنید.

6.3 آیا می‌توانم آن را با منطق 3.3 ولت استفاده کنم؟

سمت خروجی V_CCمی‌تواند با 3.3 ولت تغذیه شود. با این حال، مشخصات الکتریکی با V_CC=5.5 ولت تست شده‌اند. پارامترهایی مانند V_OL, I_OHو تأخیرهای انتشار ممکن است در 3.3 ولت متفاوت باشند. سمت ورودی مستقل است؛ LED می‌تواند توسط یک منبع 3.3 ولتی درایو شود به شرطی که جریان صحیح I_Fحاصل شود.

6.4 هدف پایه Enable چیست؟

پایه Enable (V_E) یک کنترل حالت سوم را فراهم می‌کند. هنگامی که به حالت پایین (<0.8 ولت) درایو شود، خروجی را مجبور به حالت بالا می‌کند و به طور مؤثر مسیر سیگنال از ورودی به خروجی را غیرفعال می‌کند. این می‌تواند برای مالتی‌پلکس کردن خروجی‌های چند ایزولاتور روی یک خط باس واحد یا برای حالت‌های صرفه‌جویی در توان استفاده شود.

7. مورد عملی طراحی

سناریو:ایزوله کردن یک سیگنال UART با سرعت 1 مگابیت بر ثانیه بین یک میکروکنترلر 3.3 ولتی و یک فرستنده-گیرنده RS-485 5 ولتی در یک گره سنسور صنعتی.

مراحل طراحی:

1. انتخاب نوع:ELW2611 را برای مصونیت بالا در برابر نویز در محیط صنعتی انتخاب کنید.
2. مدار ورودی:GPIO میکروکنترلر (3.3 ولت) LED را درایو می‌کند. مقاومت را محاسبه کنید: R_IN= (3.3V - 1.8V) / 0.01A = 150 اهم. از مقاومت 150Ω به صورت سری با آند LED (پایه 2) استفاده کنید. کاتد (پایه 3) به GND میکروکنترلر.
3. مدار خروجی:سمت خروجی را با 5 ولت (V_CCپایه 8) تغذیه کنید. یک خازن سرامیکی 0.1 میکروفاراد بین پایه 8 و پایه 5 (GND) وصل کنید. پایه خروجی 6 را مستقیماً به پایه ورودی فرستنده-گیرنده RS-485 وصل کنید. امپدانس ورودی فرستنده-گیرنده به عنوان بار عمل می‌کند. پایه فعال‌سازی 7 می‌تواند از طریق یک مقاومت 10 کیلواهم به V_CC(5 ولت) متصل شود برای عملکرد همیشه فعال، یا توسط یک GPIO دیگر برای کنترل درایو شود.
4. لایه‌بندی:ردیف‌های ورودی و خروجی را از نظر فیزیکی جدا نگه دارید. خازن بای‌پس را تا حد امکان نزدیک به پایه‌های 8 و 5 قرار دهید.

8. اصل عملکرد

یک فوتوکوپلر بر اساس اصل کوپلینگ نوری عمل می‌کند. یک سیگنال الکتریکی ورودی یک دیود گسیل‌کننده نور مادون قرمز (LED) را درایو می‌کند. نور گسیل شده توسط یک فوتودیود یا فوتوترانزیستور در سمت خروجی ایزوله شده تشخیص داده می‌شود. در این فوتوکوپلر گیت منطقی، سمت خروجی حاوی یک مدار مجتمع پیچیده‌تر است. جریان فوتودتکتور توسط یک گیت منطقی دیجیتال (معمولاً یک تریگر اشمیت) تقویت و پردازش می‌شود تا یک سیگنال خروجی دیجیتال تمیز و به خوبی تعریف شده تولید کند. مسیر نوری مانع ایزولاسیون الکتریکی را فراهم می‌کند، زیرا نور می‌تواند از یک شکاف فیزیکی (از طریق مواد عایق شفاف) عبور کند که الکتریسیته نمی‌تواند، و از حلقه‌های زمینی و گذراهای ولتاژ بالا جلوگیری می‌کند.

9. روندهای صنعت

روند در ایزولاسیون سیگنال به سمت سرعت‌های بالاتر، مصرف توان کمتر، پکیج‌های کوچک‌تر و عملکرد مجتمع است. در حالی که فوتوکوپلرهای سنتی مانند این پکیج DIP همچنان به طور گسترده استفاده می‌شوند، فناوری‌های جدیدتر در حال جلب توجه هستند. ایزولاتورهای دیجیتال مبتنی بر فناوری CMOS با کوپلینگ خازنی یا مغناطیسی، نرخ داده به مراتب بالاتر (تا صدها مگابیت بر ثانیه)، تأخیر انتشار کمتر، تقارن تایمینگ بهتر و قابلیت اطمینان بالاتر در دما و زمان را ارائه می‌دهند. آن‌ها همچنین کانال‌های چندگانه را در پکیج‌های بسیار کوچک مجتمع می‌کنند. با این حال، فوتوکوپلرها هنوز در برخی زمینه‌ها مانند قابلیت ولتاژ ایزولاسیون بسیار بالا، سادگی و مقرون به صرفه بودن برای بسیاری از کاربردهای با سرعت استاندارد مزایایی دارند. توسعه فوتوکوپلرهای پرسرعت با CMTI بالا (همانطور که در ELW2611 مشاهده می‌شود) پاسخی به نیاز ایزولاسیون قوی در محیط‌های الکترونیک قدرت پرنویز و درایو موتور است.